KR102537696B1 - 에너지저장장치의 잔존용량 관리 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 DC 마이크로그리드에 적용되며, 적어도 하나의 에너지저장장치를 포함하는 에너지저장시스템에서 각각의 에너지저장장치의 잔존용량(State Of Charge; SoC)을 관리하는 SoC 관리 장치의 SoC 관리 방법은, 상기 SoC 관리 장치는 연결된 에너지저장장치의 SoC를 입력받는 단계; 상기 SoC 관리 장치는 입력받은 SoC에 기초하여 옵셋 전압을 산출하는 단계; 및 상기 SoC 관리 장치는 상기 옵셋 전압과 고정된 드룹계수에 기초한 드룹제어를 수행하여 상기 연결된 에너지저장장치의 SoC밸런싱을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

에너지저장장치의 잔존용량 관리 장치 및 그 방법{SOC MANAGEMENT APPARATUS OF ENERGY STORAGE DEVICE, AND METHOD THEREFOR}
본 발명은 에너지저장장치의 잔존용량 관리 장치 및 그 방법에 관한 것으로, DC 마이크로그리드에 다수의 에너지저장장치가 연계된 에너지저장장치 시스템에서, 각 에너지저장장치의 SoC(State Of Charge) 기반 옵셋 전압과 고정된 그룹계수에 기초한 드룹제어를 수행하여 SoC밸런싱을 제어하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
태양광 발전과 같은 신재생에너지에 대한 관심이 급증하면서 효율적인 에너지 관리를 위한 DC 마이크로그리드 및 에너지저장장치(ESS)에 대한 연구·개발이 활발히 이루어지고 있다.
한편, DC 마이크로그리드의 에너지 소비가 증가하는 경우 기존 에너지저장장치의 용량도 확장되어야 한다. 에너지 저장장치의 용량을 확장하기 위해 기존 에너지저장장치 설비를 대체하는 방법을 고려해 볼 수 있으나, 이것은 비경제적이다. 따라서, 기존설비에서 추가적인 에너지저장장치를 설치하여 에너지 저장장치의 용량을 확장하는 방법을 고려해 볼 수 있다. 이러한 방법에 따르면, DC 마이크로그리드에는 다수의 에너지저장장치가 연계되어 구성될 수 있다.
다수의 에너지저장장치가 연계되어 운영되는 경우 SoC(State Of Charge) 불균형으로 인해 특정 에너지저장장치의 과방전 및 과충전이 일어날 수 있다. 에너지저장장치의 과방전 및 과충전은 에너지저장장치의 수명을 단축시키는 요인이기 때문에 SoC허용범위 내에서 동작시켜야 한다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해 각각의 에너지저장장치는 SoC허용범위 내에서 최대한 동일한 SoC로 동작하게 하는 밸런싱 제어가 요구된다.
기존 DC 마이크로그리드에서 에너지저장장치의 SoC밸런싱을 위하여 드룹 제어 기법이 제안되었다. 기존의 드룹 제어 기법은 SoC를 기반으로 드룹 계수를 변화시키는 방법과 통신을 이용하여 다수의 에너지저장장치 사이의 SoC오차를 줄이기 위한 제어지령을 추가하는 방법이 대표적이다. 드룹 계수를 변화시키는 방법은 SoC 상태에 따라 드룹 계수에 변화를 주어 순환 전류를 저감시키고 SoC밸런싱 동작을 수행하지만, SoC에 의해 드룹 계수가 변환하는 경우 배전망의 전압 안정도가 불안정해지는 문제를 야기시킨다. 다음 통신을 이용하여 다수의 에너지저장장치 사이의 SoC오차를 줄이기 위한 제어지령을 추가하는 방법은 배전망의 전압안정도에 영향을 주지 않지만 외부적 요인으로 인해 통신이 끊어진 경우에는 SoC밸런싱이 이루어지지 않기 때문에 DC 마이크로그리드의 신뢰성과 안정성이 떨어진다는 문제를 야기시킨다.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 통신을 이용하지 않고 SoC가 반영된 옵셋값을 통해 충방전 전류를 제어함으로써 다수의 에너지저장장치 간의 SoC밸런싱 동작을 행할 수 있는 시스템 및 방법을 제공한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 DC 마이크로그리드에 적용되며, 적어도 하나의 에너지저장장치를 포함하는 에너지저장시스템에서 각각의 에너지저장장치의 잔존용량(State Of Charge; SoC)을 관리하는 SoC 관리 장치의 SoC 관리 방법은, 상기 SoC 관리 장치는 연결된 에너지저장장치의 SoC를 입력받는 단계; 상기 SoC 관리 장치는 입력받은 SoC에 기초하여 옵셋 전압을 산출하는 단계; 및 상기 SoC 관리 장치는 상기 옵셋 전압과 고정된 드룹계수에 기초한 드룹제어를 수행하여 상기 연결된 에너지저장장치의 SoC밸런싱을 수행하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따른 상기 옵셋 전압을 산출하는 단계는, 상기 공칭전압과 출력전압의 차이에 비례하고, SoC의 허용최대값과 허용최소값의 차이에 반비례하는 옵셋 전압을 산출하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따른 상기 옵셋 전압을 산출하는 단계는, 상기 에너지저장장치의 SoC의 허용최소값과 허용최대값의 범위 내에서 AC 계통 및 충방전 동작 모드를 고려하여 옵셋 전압을 산출하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따른 상기 AC 계통 및 충방전 동작 모드는, 발전량보다 부하량이 크면서 방전상태인 제1 동작모드, 발전량이 부하량보다 크면서 충전상태인 제2 동작모드, 발전량이 부하량 보다 크면서 방전상태인 제3 동작모드, 발전량보다 부하량이 크면서 충전상태인 제4 동작모드로 나뉘는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따르면, 상기 옵셋 전압을 산출하는 단계는, 상기 제1 동작모드가 진행되어 SoC가 감소함에 따라 드룹곡선의 y절편이 상기 에너지저장장치의 출력전압에 가까워지고 방전전류가 감소하되, SoC가 SoC의 허용최소값에 도달하는 경우 방전 전류를 0으로 하는 옵셋 전압을 산출하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따르면, 상기 옵셋 전압을 산출하는 단계는, 상기 제2 동작모드가 진행되어 SoC가 증가함에 따라 y절편이 상기 에너지저장장치의 출력전압에 가까워지고 충전전류가 감소하되, SoC가 SoC의 허용최대값에 도달하는 경우 충전 전류를 0으로 하는 옵셋 전압을 산출하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따르면, 상기 옵셋 전압을 산출하는 단계는, 상기 제3 동작모드에서 드룹곡선의 y절편을 출력전압보다 높게 형성하며, SoC가 SoC의 허용최대값에 도달하는 경우 공칭전압과 출력전압의 오차의 두배의 값을 기준으로 방전동작이 진행되고, SoC가 SoC의 허용최소값에 도달하는 경우 방전 전류를 0으로 하는 옵셋 전압을 산출하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따르면, 상기 옵셋 전압을 산출하는 단계는, 상기 제4 동작모드에서 드룹곡선의 y절편은 출력전압보다 낮게 형성되며, SoC가 SoC의 허용최대값에 도달하는 경우 충전전류를 0으로 하는 옵셋 전압을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 DC 마이크로그리드에 적용되며, 적어도 하나의 에너지저장장치를 포함하는 에너지저장시스템에서 각각의 에너지저장장치의 잔존용량(State Of Charge; SoC)을 관리하는 SoC 관리 장치는, 상기 에너지저장장치의 SoC를 입력받는 입력부; 및 상기 SoC 관리 장치는 입력받은 SoC에 기초하여 옵셋 전압을 산출하고, 상기 SoC 관리 장치는 상기 옵셋 전압과 고정된 드룹계수에 기초한 드룹제어를 수행하여 상기 연결된 에너지저장장치의 출력전압을 산출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 고정 드룹계수를 사용하여 배전망의 전압 안정도에 영향을 주지 않으면서 다수의 에너지저장장치의 SoC밸런싱이 이루어지는 효과를 가져온다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면 SoC 허용범위 내에서 동작하여 과방전 및 과충전을 방지하여 배터리 수명을 연장시킬 수 있다.
또한 비통신 방식으로 각 에너지저장장치의 SoC 만을 이용하기 때문에 통신의존성을 낮춰 마이크로그리드 운영의 안정성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지저장장치의 잔존용량 관리 장치가 적용되는 DC 마이크로그리드의 구성을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지저장장치의 잔존용량 관리 장치의 드룹제어 동작을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 동작모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 동작모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제3 동작모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제4 동작모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지저장장치의 잔존용량 관리 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지저장장치의 잔존용량 관리 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 동작모드와 제2 동작모드의 시뮬레이션 검증 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 충방전 전환 동작의 시뮬레이션 검증 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 제3 동작모드와 제4 동작모드의 시뮬레이션 검증 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지저장장치의 잔존용량 관리 장치가 적용되는 DC 마이크로그리드의 구성을 나타내는 개념도이다.
DC 마이크로그리드는 AC 계통과 연결된 인터링킹 컨버터(ILC, Interlinking Converter)(10), 태양광 발전기(PV)와 연결된 PV DC/DC 컨버터(20), 부하와 연결된 부하 DC/DC 컨버터(30), 에너지저장장치와 연결된 양방향 DC/DC 컨버터(40)를 포함하며, 각 구성요소들은 병렬 연결된다.
인터링킹 컨버터(ILC, Interlinking Converter)(10)는 드룹 제어를 적용하여 전력 공급 및 회생동작을 통해 배전망을 안정적으로 운용할 수 있게 한다.
일 실시예에 따른 DC 마이크로그리드에 적용되는 분산전원은 태양광발전을 사용하며 최대출력추종제어(MPPT)를 P&O알고리즘을 이용한다.
여기서, 부하는 일정전력부하(CPL, Constant Power Load)이고, 에너지저장장치는 2대를 예로 하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
복수개의 에너지저장장치 각각은 SoC 허용범위를 벗어나지 않고 최대한 동일한 SoC로 유지하기 위하여, 도 2 내지 도 5에서 설명하는 잔존용량 관리 장치에 의해 SoC기반 옵셋 드룹 제어 기법을 적용하여 SoC밸런싱 제어를 수행한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지저장장치의 잔존용량 관리 장치의 드룹제어 동작을 설명하기 위한 블럭도이다.
잔존용량 관리 장치(100)는 각 에너지저장장치의 SoC를 고려한 옵셋을 적용한 드룹제어를 수행한다.
본 발명의 일 실시예에서 설명하는 드룹제어는 고정된 드룹계수 Rd와 SoC를 고려하여 형성되는 옵셋 △Voffset에 기반하여 수학식 1과 같이 행하여 진다.
[수학식 1]
Figure 112021066742710-pat00001
여기서, 옵셋 전압 ΔVoffset은 마이크로그리드 운영 중 나타날 수 있는 AC계통 및 에너지저장장치의 동작 모드를 고려하여 설정된다.
동작 모드는 총 4가지 모드로 나뉘며 신재생에너지에 의한 발전량이 부하량보다 낮은 경우의 에너지저장장치의 충·방전 모드와 발전량이 부하량보다 높은 경우의 에너지저장장치의 충·방전 모드로 나뉜다. 즉, 동작모드는 발전량보다 부하량이 크면서 방전상태인 제1 동작모드, 발전량이 부하량보다 크면서 충전상태인 제2 동작모드, 발전량이 부하량 보다 크면서 방전상태인 제3 동작모드, 발전량보다 부하량이 크면서 충전상태인 제4 동작모드로 나뉜다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 동작모드를 설명하기 위한 도면이다. 도 3의 (a)는 제1 동작모드에서의 에너지 흐름을 설명하기 위한 도면이고, 도 3의 (b)는 제1 동작모드에서의 드룹곡선의 변화를 나타내는 도면이다.
도 3의 (a)를 참조하면 제1 동작모드에서, 에너지저장장치(ESS)는 방전동작을 하며 AC계통에서 인터링킹 컨버터(ILC)(10)를 통해 배전망에 전력을 공급하여, 에너지가 부하 DC/DC 컨버터(30)를 통해 부하(Load)쪽으로 흐르는 것을 알 수 있다.
도 3의 (b)를 참조하면 제1 동작모드에서 발전량이 부하량보다 낮아 에너지저장장치(ESS)의 전압 VESS는 공칭전압 Vnom 보다 낮게 형성된다. 또한, 제1 동작모드에서 동작이 진행됨에 따라 각 에너지저장장치(ESS)의 SoC는 방전동작에 의해 감소하며, 이때의 옵셋 전압 ΔVoffset은 수학식 2에 의해 산출된다.
[수학식 2]
Figure 112021066742710-pat00002
여기서, SoCmax는 SoC의 허용최대전압이고, SoCmin은 SoC의 허용최소전압이며 SoC는 SoC 출력전압을 의미한다.
수학식 2에 나타낸 바와 같이, 에너지저장장치(ESS)의 SoC가 방전됨에 따라 SoC가 SoCmax일 때 옵셋 전압은 0으로 방전 동작이 수행되고, SoC가 SoCmax에서 SoCmin으로 감소할 경우 ΔVoffset은 증가하여 드룹 그래프의 y절편은 출력전압에 가까워지고 방전전류는 감소한다. SoC가 SoCmin이 되면 옵셋 전압은 최대가 되어 에너지저장장치(ESS)의 방전전류는 0으로 제한된다.
각각의 에너지저장장치의 초기 SoC가 다르게 형성되는 경우 각각의 SoC에 따라 SoC가 높은 모듈은 많은 출력전류를 SoC가 낮은 모듈은 작은 출력 전류로 방전되기 때문에 추가적인 통신라인 없이 SoC밸런싱이 이뤄지게 된다.
또한, SoC가 SoCmin에 도달한 경우 드룹 그래프의 y절편은 출력전압 Vout과 동일한 값이 되도록 하는 ΔVoffset이 산출된다. 이에 따라 추가적인 회로차단 알고리즘이 없더라도 방전전류는 0으로 제한되어 과방전이 방지된다. 이와 같이 에너지저장장치의 방전전류가 0으로 제한되더라도 배전망 전압은 에너지저장장치 이외에 인터링킹 컨버터(ILC)(10)를 통한 전력제어를 하고 있기 때문에 배전망전압 허용범위 내에서 동작이 가능하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 동작모드를 설명하기 위한 도면이다. 도 4의 (a)는 제2 동작모드에서의 에너지 흐름을 설명하기 위한 도면이고, 도 4의 (b)는 제2 동작모드에서의 드룹곡선의 변화를 나타내는 도면이다.
도 4의 (a)를 참조하면 제2 동작모드에서, 에너지저장장치(ESS)는 충전동작을 하며 AC계통에서는 인터링킹 컨버터(ILC)(10)를 통해 전력회생동작을 수행하고, 태양광 발전기(PV)와 연결된 PV DC/DC 컨버터(20)에 의해 배전망으로 전력이 공급되며, 에너지가 부하 DC/DC 컨버터(30)를 통해 부하(Load)쪽으로 흐르는 것을 알 수 있다.
도 4의 (b)를 참조하면 제2 동작모드에서 발전량이 부하량보다 높아 에너지저장장치(ESS)의 전압 VESS는 공칭전압 Vnom 보다 높게 형성된다. 또한, 제2 동작모드에서 동작이 진행됨에 따라 각 에너지저장장치(ESS)의 SoC는 충전되어 시간이 지남에 따라 증가하며, 이때의 옵셋 전압 ΔVoffset은 수학식 3에 의해 산출된다.
[수학식 3]
Figure 112021066742710-pat00003
여기서, SoCmax는 SoC의 허용최대전압이고, SoCmin은 SoC의 허용최소전압이며 SoC는 SoC 출력전압을 의미한다.
수학식 3에 나타낸 바와 같이, SoC가 SoCmin이 되면, 옵셋 전압은 0이 되어 최대 충전 전류로 충전 동작이 수행되고, 에너지저장장치(ESS)의 SoC가 충전됨에 따라 SoC가 SoCmax에 가까워질수록 ΔVoffset은 증가하여 드룹 그래프의 y절편은 출력전압 Vout에 가까워지고 충전전류는 감소한다. SoC가 SoCmax이 되면 y절편은 Vout과 동일해져서 에너지저장장치(ESS)의 충전전류는 0으로 제한된다.
제1 동작모드와 유사하게 각각의 에너지저장장치(ESS)에서는 SoC에 기반하여 충전전류를 제한하기 때문에 각 에너지저장장치(ESS) 간에 SoC밸런싱이 자연스럽게 이루어지며 SoC가 SoCmax에 도달하는 경우 충전전류는 0으로 제한되어 과충전이 방지된다.
일반적으로 DC마이크로그리드의 동작모드는 앞에서 설명한 제1 동작모드와 제2 동작모드에 의해 주로 행해진다. 그러나 추가적으로 발전량이 부하량보다 크게 형성되어 에너지저장장치에서는 충전동작을 해야 하지만 AC계통으로 더 많은 전력을 회생해야하는 경우가 발생한다. 이 경우 에너지저장장치는 충전동작이 아닌 방전동작을 수행하여야 한다. 또한, 발전량이 부하량보다 작게 형성되어 에너지저장장치가 방전동작을 해야 하지만 SoC가 낮게 형성되어 충전동작이 필요한 경우가 발생한다. 이 경우에는 에너지저장장치가 충전동작을 수행하여야 한다. 즉, 에너지저장장치와 AC계통의 전력방향이 반대로 형성되는 동작모드를 도 5 및 도 6을 참조하여 하기에 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제3 동작모드를 설명하기 위한 도면이다. 도 5의 (a)는 제3 동작모드에서의 에너지 흐름을 설명하기 위한 도면이고, 도 5의 (b)는 제3 동작모드에서의 드룹곡선의 변화를 나타내는 도면이다.
도 5의 (a)를 참조하면 제3 동작모드에서, 에너지저장장치(ESS)는 방전동작을 하며 AC계통에서는 인터링킹 컨버터(ILC)(10)를 통해 전력회생동작을 수행하고, 태양광 발전기(PV)와 연결된 PV DC/DC 컨버터(20)에 의해 배전망으로 전력이 공급되며, 에너지가 부하 DC/DC 컨버터(30)를 통해 부하(Load)쪽으로 흐르는 것을 알 수 있다.
도 5의 (b)를 참조하면 제3 동작모드에서 발전량이 부하량보다 높지만, 에너지저장장치가 방전동작을 하기 위해서, 에너지저장장치(ESS)의 전압 VESS는 공칭전압 Vnom 보다 높게 형성된다. 또한, 제3 동작모드에서 에너지저장장치는 방전동작을 하기 위해서 드룹 그래프의 y절편은 VESS보다 높게 형성되어야 하며, 이때의 옵셋 전압 ΔVoffset은 수학식 4에 의해 산출된다.
[수학식 4]
Figure 112021066742710-pat00004
여기서, SoCmax는 SoC의 허용최대전압이고, SoCmin은 SoC의 허용최소전압이며 SoC는 SoC 출력전압을 의미한다.
수학식 4에 나타낸 바와 같이, 에너지저장장치(ESS)의 SoC가 SoCmax인 경우, ΔVoffset은 Vnom과 Vout의 오차의 두 배의 값을 기준으로 방전동작이 진행된다. 이에 따라 옵셋에 의해 방전전류가 감소한다. 에너지저장장치(ESS)의 SoC가 SoCmin에 도달한 경우 옵셋에 의해 드룹 곡선의 y절편은 Vout와 일치하여 방전 전류는 0으로 제한되어 과방전이 방지된다. 앞서 설명한 모드와 마찬가지로 제3 동작모드에서도 각각의 에너지저장장치(ESS)의 초기 SoC가 다르게 형성되는 경우에도 SoC기반으로 옵셋이 형성되기 때문에 SoC밸런싱 동작이 이루어진다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제4 동작모드를 설명하기 위한 도면이다. 도 6의 (a)는 제4 동작모드에서의 에너지 흐름을 설명하기 위한 도면이고, 도 6의 (b)는 제4 동작모드에서의 드룹곡선의 변화를 나타내는 도면이다.
도 6의 (a)를 참조하면 제4 동작모드에서, 에너지저장장치(ESS)는 충전동작을 하며 AC계통에서는 인터링킹 컨버터(ILC)(10)를 통해 배전망으로 전력을 공급하고, 태양광 발전기(PV)와 연결된 PV DC/DC 컨버터(20)에 의해 배전망으로 전력이 공급되며, 에너지가 부하 DC/DC 컨버터(30)를 통해 부하(Load)쪽으로 흐르는 것을 알 수 있다.
도 6의 (b)를 참조하면 제4 동작모드에서 발전량이 부하량보다 낮지만 에너지저장장치(ESS)가 충전동작을 하기 위해서, 에너지저장장치(ESS)의 전압 VESS는 공칭전압 Vnom 보다 낮게 형성된다. 에너지저장장치(ESS)의 SoC가 SoCmin인 경우 에너지저장장치(ESS)의 전압 VESS 에서 최대 전류로 충전되며, 이때의 옵셋 전압 ΔVoffset은 수학식 5에 의해 산출된다.
[수학식 5]
Figure 112021066742710-pat00005
수학식 5에 따른 ΔVoffset에 의해 시간이 지남에 따라 에너지저장장치(ESS)의 충전 전류는 감소하는 형태를 갖으며 SoC가 SoCmax에 도달하면 y절편은 에너지저장장치(ESS)의 전압 VESS와 동일한 값이 되어 충전 전류가 0으로 제한되어 과충전이 방지된다.
다수의 에너지저장장치(ESS)는 SoC가 높으면 적은 충전전류가 흐르고, SoC가 낮으면 많은 충전전류가 흐르게 되어 다수의 에너지저장장치(ESS) 간의 SoC밸런싱이 이루어진다.
앞서 설명한 제1 동작모드 내지 제4 동작모드에 의해, 비통신 방식으로 Vnom과 Vout의 오차의 부호를 통해 자율적인 모드 전환이 가능하다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지저장장치의 잔존용량 관리 장치의 구성을 나타내는 블럭도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지저장장치의 잔존용량 관리 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지저장장치의 잔존용량 관리 장치는 앞서 설명한 도 1 및 도 2에 적용된다. 잔존용량 관리 장치(100)는 도 1에 적용되는 경우, 각각의 에너지저장장치(ESS) 마다 마련될 수 있다. 또는 양방향 DC/DC 컨버터의 앞 또는 뒤에 마련될 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지저장장치의 잔존용량 관리 장치(100)의 입력부(110)는 단계 S110에서 연결된 에너지저장장치의 SoC 측정값을 입력받는다. 입력부(110)는 입력받은 SoC 측정값을 제어부(120)에 전달한다.
단계 S120에서 잔존용량 관리 장치(100)의 제어부(120)는 입력받은 SoC 측정값에 기초하여 옵셋 전압을 산출한다.
제어부(120)는 에너지저장장치의 SoC의 허용최소값과 허용최대값의 범위 내에서 AC 계통 및 충방전 동작 모드를 고려하여 옵셋 전압을 산출하며, 옵셋 전압은 공칭전압과 출력전압의 차이에 비례하고, SoC의 허용최대값과 허용최소값의 차이에 반비례한다.
제어부(120)는 발전량과 부하량, 충방전 동작모드임을 판단하여, 각 모드별로 미리 저장된 수학식에 따라 옵셋 전압을 산출한다.
미리 저장된 수식은 도 3 내지 도 6을 참조하여 설명한 동작모드에 포함된 수식과 동일하다.
단계 S130에서 잔존용량 관리 장치(100)의 제어부(120)는 산출된 옵셋 전압과 고정된 드룹계수에 기초한 드룹제어를 수행하여 상기 연결된 에너지저장장치의 SoC밸런싱을 수행한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 DC 마이크로그리드에 적용하는 잔존용량 관리 방법은, SoC 상태에 따라 충·방전 전류를 제어함으로서, 초기의 SoC가 서로 다른 다수의 에너지저장장치 간의 SoC밸런싱이 이뤄지는 효과를 얻을 수 있다. 그리고 추가적인 회로차단 알고리즘이 없더라도 잔존용량 관리 방법에 의해 에너지저장장치는 SoC허용범위의 경계에서 충·방전 전류가 제한되어 과방전 및 과충전을 방지할 수 있다.
종래기술인 SoC기반 드룹 제어는 드룹 계수가 변화하여 배전망 전압안정도에 영향을 주는 것과는 달리 본 발명의 일 실시예에 따른 잔존용량 관리 방법에 따르면 드룹 계수의 변화는 주지 않고 SoC기반 옵셋을 이용하기 때문에 배전망 전압안정도에 영향을 주지 않고 위의 동작의 효과를 얻을 수 있다. 또한 다른 종래기술인 통신을 이용하여 SoC밸런싱을 이루는 기법과는 달리 본 발명의 일 실시예에 따른 잔존용량 관리 방법에 따르면 비통신 방식으로 각각의 에너지저장장치의 SoC만을 이용하기 때문에 통신의존성이 낮아 마이크로그리드 운영에서 신뢰성이 높아지는 효과를 볼 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 동작모드와 제2 동작모드의 시뮬레이션 검증 결과를 나타낸 그래프이다.
에너지저장장치의 잔존용량 관리 방법의 시뮬레이션을 위해 2대의 에너지저장장치를 채택하였으며, 각각의 에너지저장장치의 초기 SoC는 다르게 설정정하였다.
도 9의 (a)를 참조하면, 발전량 및 부하량의 크기에 따른 제1 동작모드에서의 에너지저장장치가 충·방전 동작의 전류 변화를 확인할 수 있고, 도 9의 (b)를 참조하면, 발전량 및 부하량의 크기에 따른 제2 동작모드에서의 에너지저장장치가 충·방전 동작의 전류 변화를 확인할 수 있다. 제1 동작모드와 제2 동작모드에서 충·방전 동작이 진행됨에 따라 SoC에 의해 충·방전 전류의 크기가 변화하며, 제1 동작 모드의 방전동작의 경우 높은 SoC의 에너지저장장치는 많은 방전전류를 낮은 SoC의 에너지저장장치는 적은 방전전류가 흐르게 되어 SoC밸런싱 동작이 이루어지는 것을 확인할 수 있다. 또한 SoC허용범위의 경계에서 충·방전전류가 0A로 수렴하는 것을 확인할 수 있다 이로써, 과충전 및 과방전 문제를 방지할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 충방전 전환 동작의 시뮬레이션 검증 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10의 (a)는 방전모드에서 충전모드로의 전류변화를 나타내고, 도 10의 (b)는 충전모드에서 방전모드로의 전류변화를 나타낸다.
도 10을 참조하면 알 수 있는 바와 같이, 부하량에 변화가 나타난 경우에도 자율적으로 모드전환이 가능하며 모드전환 시 배전망 전압이 허용범위 내에서 유지된다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 제3 동작모드와 제4 동작모드의 시뮬레이션 검증 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11의 (a)를 참조하면, 발전량 및 부하량의 크기에 따른 제3 동작모드에서의 에너지저장장치가 충·방전 동작의 전류 변화를 확인할 수 있고, 도 11의 (b)를 참조하면, 발전량 및 부하량의 크기에 따른 제4 동작모드에서의 에너지저장장치가 충·방전 동작의 전류 변화를 확인할 수 있다.
도 11을 참조하면 알 수 있는 바와 같이, 도 11의 (a)의 제3 동작모드에서 발전량이 부하량보다 크지만 수학식 4에 의해 에너지저장장치는 방전동작을 하며 AC계통으로 전력회생동작을 하는 경우이다. 도 11의 (b)는 제4 동작모드에서 발전량이 부하량보다 작지만 수학식 5에 의해 에너지저장장치는 충전동작을 하며 AC계통에서 전력공급동작을 하는 경우이다. 제3 동작모드와 제4 동작모드에서도 도 9의 제1 동작모드와 제2 동작모드에서와 유사하게 SoC밸런싱이 이루어지며 SoC허용범위 내에서 동작하는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면 어떠한 모드에서도 과방전 및 과충전 문제가 발생하지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 실행된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (16)

  1. DC 마이크로그리드에 적용되며, 적어도 하나의 에너지저장장치를 포함하는 에너지저장시스템에서 각각의 에너지저장장치의 잔존용량(State Of Charge; SoC)을 관리하는 SoC 관리 장치의 SoC 관리 방법에 있어서,
    상기 SoC 관리 장치는 연결된 에너지저장장치의 SoC를 입력받는 단계;
    상기 SoC 관리 장치는 입력받은 SoC에 기초하여 옵셋 전압을 산출하는 단계; 및
    상기 SoC 관리 장치는 상기 옵셋 전압과 고정된 드룹계수에 기초한 드룹제어를 수행하여 상기 연결된 에너지저장장치의 SoC밸런싱을 수행하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 옵셋 전압을 산출하는 단계는,
    상기 에너지저장장치의 SoC의 허용최소값과 허용최대값의 범위 내에서 AC 계통 및 충방전 동작 모드를 고려하여 옵셋 전압을 산출하고,
    상기 AC 계통 및 충방전 동작 모드는,
    발전량보다 부하량이 크면서 방전상태인 제1 동작모드, 발전량이 부하량보다 크면서 충전상태인 제2 동작모드, 발전량이 부하량 보다 크면서 방전상태인 제3 동작모드, 발전량보다 부하량이 크면서 충전상태인 제4 동작모드로 나뉘며,
    상기 옵셋 전압을 산출하는 단계는,
    상기 제1 동작모드가 진행되어 SoC가 감소함에 따라 드룹곡선의 y절편이 상기 에너지저장장치의 출력전압에 가까워지고 방전전류가 감소하되, SoC가SoC의 허용최소값에 도달하는 경우 방전 전류를 0으로 하는 옵셋 전압을 산출하는 에너지저장장치의 잔존용량 관리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 옵셋 전압을 산출하는 단계는,
    공칭전압과 에너지저장장치의 출력전압의 차이에 비례하고, SoC의 허용최대값과 허용최소값의 차이에 반비례하는 옵셋 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 에너지저장장치의 잔존용량 관리 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 옵셋 전압을 산출하는 단계는, 상기 제2 동작모드가 진행되어 SoC가 증가함에 따라 y절편이 상기 에너지저장장치의 출력전압에 가까워지고 충전전류가 감소하되, SoC가 SoC의 허용최대값에 도달하는 경우 충전 전류를 0으로 하는 옵셋 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 에너지저장장치의 잔존용량 관리 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 옵셋 전압을 산출하는 단계는, 상기 제3 동작모드에서 드룹곡선의 y절편을 출력전압보다 높게 형성하며, SoC가 SoC의 허용최대값에 도달하는 경우 공칭전압과 출력전압의 오차의 두배의 값을 기준으로 방전동작이 진행되고, SoC가 SoC의 허용최소값에 도달하는 경우 방전 전류를 0으로 하는 옵셋 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 에너지저장장치의 잔존용량 관리 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 옵셋 전압을 산출하는 단계는, 상기 제4 동작모드에서 드룹곡선의 y절편은 출력전압보다 낮게 형성되며, SoC가 SoC의 허용최대값에 도달하는 경우 충전전류를 0으로 하는 옵셋 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 에너지저장장치의 잔존용량 관리 방법.
  9. DC 마이크로그리드에 적용되며, 적어도 하나의 에너지저장장치를 포함하는 에너지저장시스템에서 각각의 에너지저장장치의 잔존용량(State Of Charge; SoC)을 관리하는 SoC 관리 장치에 있어서,
    상기 SoC 관리 장치와 연결된 상기 에너지저장장치의 SoC를 입력받는 입력부; 및
    상기 SoC 관리 장치는 입력받은 SoC에 기초하여 옵셋 전압을 산출하고, 상기 SoC 관리 장치는 상기 옵셋 전압과 고정된 드룹계수에 기초한 드룹제어를 수행하여 상기 연결된 에너지저장장치의 출력전압을 산출하는 제어부;
    를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 에너지저장장치의 SoC의 허용최소값과 허용최대값의 범위 내에서 AC 계통 및 충방전 동작 모드를 고려하여 옵셋 전압을 산출하고,
    상기 AC 계통 및 충방전 동작 모드는,
    발전량보다 부하량이 크면서 방전상태인 제1 동작모드, 발전량이 부하량보다 크면서 충전상태인 제2 동작모드, 발전량이 부하량 보다 크면서 방전상태인 제3 동작모드, 발전량보다 부하량이 크면서 충전상태인 제4 동작모드로 나뉘며,
    상기 제어부는,
    상기 제1 동작모드가 진행되어 SoC가 감소함에 따라 드룹곡선의 y절편이 상기 에너지저장장치의 출력전압에 가까워지고 방전전류가 감소하되, SoC가SoC의 허용최소값에 도달하는 경우 방전 전류를 0으로 하는 옵셋 전압을 산출하는 에너지저장장치의 잔존용량 관리 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    공칭전압과 에너지저장장치의 출력전압의 차이에 비례하고, SoC의 허용최대값과 허용최소값의 차이에 반비례하는 옵셋 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 에너지저장장치의 잔존용량 관리 장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2 동작모드가 진행되어 SoC가 증가함에 따라 y절편이 상기 에너지저장장치의 출력전압에 가까워지고 충전전류가 감소하되, SoC가 SoC의 허용최대값에 도달하는 경우 충전 전류를 0으로 하는 옵셋 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 에너지저장장치의 잔존용량 관리 장치.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제3 동작모드에서 드룹곡선의 y절편을 출력전압보다 높게 형성하며, SoC가 SoC의 허용최대값에 도달하는 경우 공칭전압과 출력전압의 오차의 두배의 값을 기준으로 방전동작이 진행되고, SoC가 SoC의 허용최소값에 도달하는 경우 방전 전류를 0으로 하는 옵셋 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 에너지저장장치의 잔존용량 관리 장치.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 제4 동작모드에서 드룹곡선의 y절편은 출력전압보다 낮게 형성되며, SoC가 SoC의 허용최대값에 도달하는 경우 충전전류를 0으로 하는 옵셋 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 에너지저장장치의 잔존용량 관리 장치.




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